Классификация адронов

Адроны — это составные частицы, испытывающие сильное взаимодействие, описываемое квантовой хромодинамикой (КХД). Они состоят из кварков и глюонов, не существуют в свободном состоянии (в силу явления конфайнмента) и группируются в устойчивые композитные состояния. Вся совокупность известных адронов делится на две основные категории: мезоны и барионы, что отражает различие в их кварковом составе и квантовых числах.

Основы кварковой модели

Согласно кварковой модели, предложенной в 1960-х годах, адроны состоят из элементарных фермионов — кварков, которые взаимодействуют посредством обмена глюонами. Кварки обладают следующими квантовыми числами:

  • Флейвор: u, d, s, c, b, t (up, down, strange, charm, bottom, top)
  • Цветовой заряд: красный, зелёный, синий
  • Электрический заряд: например, $q_u = +\frac{2}{3}e$, $q_d = -\frac{1}{3}e$
  • Изоспин, странность, очарование, нижность, вершинность

Кварки образуют два основных типа устойчивых систем:

  • Барионы: три кварка (qqq)
  • Мезоны: кварк и антикварк (q={q})

Мезоны

Мезоны — это бозоны с целым спином, обычно S = 0 или S = 1. Они состоят из пары кварк-антикварк и могут быть как собственными античастицами (например, π⁰), так и различаться от них (например, K+ ≠ K−).

Примеры мезонов:

  • Пионы (π-мезоны):

    • π+(ud̄), π−(dū), $\pi^0 \left( \frac{u\bar{u} - d\bar{d}}{\sqrt{2}} \right)$

  • Каоны (K-мезоны):

    • K+(us̄), K−(sū), K0(ds̄), K̄0(sd̄)

Мезоны чувствительны к слабым, электромагнитным и сильным взаимодействиям. Живут недолго, распадаются, как правило, слабым взаимодействием.

Барионы

Барионы — фермионы со спином $\frac{1}{2}$ или $\frac{3}{2}$. Состоят из трёх кварков. Наиболее стабильный и важный барион — протон.

Примеры барионов:

  • Нуклоны:

    • Протон (uud)
    • Нейтрон (udd)

  • Гипероны:

    • Λ0(uds)
    • Σ+, Σ0, Σ−
    • Ξ0(uss), Ξ−(dss)
    • Ω−(sss)

Наличие странного, очарованного или других «тяжёлых» кварков увеличивает массу бариона и его нестабильность.

Антиадроны

Для каждого адрона существует соответствующий антиадрон. Например, антипротон p̄ = ūūd̄, антинейтрон n̄ = ūd̄d̄, антикаон K− = sū и т. д.

Антиадроны аннигилируют при взаимодействии с адронами, что лежит в основе аннигиляционных процессов в космических и ускорительных экспериментах.

Квантовые числа и SU(3)-симметрия

Для классификации адронов используются квантовые числа, такие как:

  • Изоспин I и его проекция I3
  • Странность S
  • Очарование C, нижность B′, вершинность T
  • Барионное число B: 1 для барионов, 0 для мезонов
  • Спин S и паритет P

Классификация также опирается на симметрию группы SU(3)_flavor (в flavor-пространстве кварков u, d, s). Это приводит к построению мультиплетов:

  • Октавы (восьмёрки): адроны с одинаковым спином, но различными флейворами
  • Декаплеты: например, декаплет барионов со спином $\frac{3}{2}$, включающий Δ, Σ*, Ξ*, Ω−

Пример: пионы, каоны и η⁰ образуют мезонную октету.

Структура и масса адронов

Масса адрона не равна простой сумме масс составляющих кварков. Основной вклад даёт энергия взаимодействий — в частности, энергия глюонного поля и виртуальных кварк-антикварковых пар.

Пример: протон, масса  ≈ 938 МэВ, тогда как массы кварков u и d — всего лишь по нескольку МэВ. Следовательно, более 95% массы протона обусловлено динамикой КХД.

Экзотические адроны

Помимо «обычных» адронов (q={q}, qqq), КХД допускает существование:

  • Тетракварков (q={q}q={q})
  • Пентакварков (qqqq={q})
  • Глюболов — состояний, состоящих только из глюонов
  • Гибридов — состояний типа q={q}g

Существование и свойства таких частиц активно изучаются в экспериментальных программах на LHCb, Belle II, BESIII и др.

Сильное взаимодействие и конфайнмент

Согласно КХД, цветовой заряд кварков не может быть изолирован. В результате:

  • Все наблюдаемые частицы — цветонейтральные комбинации
  • Кварки и глюоны конфайнятся в адроны
  • Попытка разорвать кварковую связь ведёт к рождению новых адронов, а не к появлению свободного кварка

Это свойство обусловлено ростом силы сильного взаимодействия при увеличении расстояния между кварками.

Адронные резонансы

Анализ столкновений на ускорителях выявляет многочисленные резонансные состояния — возбуждённые уровни адронов, быстро распадающиеся на более лёгкие частицы.

Характеристики:

  • Ширина резонанса отражает время жизни: Γ ∼ ℏ/τ
  • Масса и спин-паритет определяются по распределениям конечных продуктов

Пример: Δ++(1232), резонансное состояние нуклона с $J^P = \frac{3}{2}^+$

Роль классификации в физике частиц

Классификация адронов:

  • Упорядочивает зоопарк частиц
  • Отражает фундаментальные симметрии КХД
  • Позволяет предсказывать новые состояния
  • Уточняет структуру сильного взаимодействия

Современные эксперименты подтверждают предсказания кварковой модели и открывают всё новые состояния, расширяя границы известной адронной спектроскопии.

Оглавление